試験管内遺伝的プログラミング

2005 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15300100
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: ROSE John Anthony 東京大学, 大学院・情報理工学系研究科, 科学技術振興特任教員 (00345125)
• 研究分担者: 萩谷 昌己 東京大学, 大学院・情報理工学系研究科, 教授 (30156252) ; 陶山 明 東京大学, 大学院総合文化研究科, 教授 (90163063) ; 小宮 健 東京工業大学, 大学院総合理工学研究科, 助手 (20396790)
• キーワード: DNA Computing / Biomolecular Computing / Whiplash PCR / efficiency / back-hybridization / mis-hybridization / strand displacement / statistical thermodynamics

研究概要

3年目の取り組みは、1、2年目に開発した理論モデルおよびシミュレーションツールと、2年目に開発したモデル測定系および改良型WPCR反応とを組み合わせた、2つの段階に分けられる。第1段階では、WPCR反応効率についての統計熱力学的な予測の実験検証が完了した。非目的構造存在下における目的構造形成効率の予測能力を評価するため、競合するDNAヘアピン構造形成をモデル測定系とした。反応のシステムレベルでの挙動を、FRETを用いた測定により解析した。理論モデルによる予測と実験結果を、2つのヘアピン構造それぞれ単独での融解過程、および競合させた反応において比較した。予測と実験結果がよく一致し、モデル予測にもとづいた反応のシステムレベルでの制御やプログラミングの実現可能性が示された。この結果は、WPCR反応だけでなく、一般的なDNAを用いた反応システム開発にとって極めて重要である。
第2段階では、WPCRを改良した「Displacement WPCR(DWPCR)」を開発し、実験的に検証した。DWPCR法では、ヘアピンDNA上のプライマー伸長とそれにともなう鎖置換によって「ルール配列」を保護し、「バック・ハイブリダイゼーション」を無効化する。基礎的な実現可能性を、FRETとPAGE実験により確立した。WPCRおよび他の改良法である「PWPCR」では、予測されたポリメラーゼとの衝突あたりの状態遷移効率はそれぞれ、およそ0.001%と1%であり、100%近い効率が期待できるDWPCRは根本的な発展を意味する。さらに、反応時に温度サイクルが不要となり、生体内での応用が可能になる。PWPCRと比べて、タンパク質を不安定化する非コード配列の翻訳が起こらず、エキソン・シャッフリングを行う「XWPCR」法へ利用可能である。DWPCRは、超並列生体分子計算のための、高効率で汎用的な標準手法として期待できる。

研究成果

• [雑誌論文] DNA polymerase programmed with a hairpin DNA incorporates a multiple-instruction architecture into molecular computing (2006)
  • 著者名/発表者名: K.Komiya, K.Sakamoto, A.Kameda, M.Yamamoto, A.Ohuchi, D.Kiga, S.Yokoyama, M.Hagiya
  • 雑誌名: BioSystems 83 ページ: 18-25
• [雑誌論文] Displacement Whiplash PCR : Optimized architecture and experimental validation (2006)
  • 著者名/発表者名: J.Rose, K.Komiya, S.Yaegashi, M.Hagiya
  • 雑誌名: 12^<th> International Meeting on DNA Computing, (June 5-9, 2006, Seoul, Korea) (Submitted)
• [雑誌論文] Experimental Validation of the Statistical Thermodynamic Model for Prediction of the Behavior of Autonomous Molecular Computers Based on DNA Hairpin Formation (2006)
  • 著者名/発表者名: K.Komiya, S.Yaegashi, M.Hagiya, A.Suyama, J.Rose
  • 雑誌名: 12^<th> International Meeting on DNA Computing, (June 5-9, 2006, Seoul, Korea) (Submitted)
• [雑誌論文] Analysis and re-engineering of Whiplash PCR : simulations of fidelity and efficiency, and an improved architecture based on a targeted strand displacement strategy (2005)
  • 著者名/発表者名: J.Rose
  • 雑誌名: Journal of the Japan Society for simulation Technology (JSST Journal) 24 ページ: 289-299
• [雑誌論文] The Fidelity of the Tag Antitag System : Characterization of the Stringent Temperature for Robustness in the Excess Limit (2005)
  • 著者名/発表者名: J.A.Rose
  • 雑誌名: Int'l Journal of Knowledge-Based & Intelligent Engineering Systems (KES Journal) 9 ページ: 285-292